DE19530984A1 - Heizelement aus Komposit-Werkstoffen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement aus Komposit-Werkstoffen.

Heizelemente aus Komposit-Werkstoffen sind bereits mehrfach beschrieben worden. Der Grund für den bisher nur geringen Erfolg ist u. a. der Nachteil, daß eine genaue Temperatur-Vorwahl für alle Bereiche der Heizfläche nicht möglich ist, die Herstellungskosten zu hoch und die Einsatzbereiche stark eingeschränkt sind.

So beschreibt z. B. die DE Patentschrift 29 28 293 C2 ein Gewebe-Imprägnierverfahren durch Harzinjektion mittels Kohlefasergewebe zur Wärmeübertragung, wobei das Kohlefasergewebe als elektrische Heizmatte zur Steuerung der Harz-Viskosität verwendet wird. Es werden hierbei die Gewebeenden jeweils in Kupferblechstreifen ein­ gefaßt.

Hierzu kann festgestellt werden, daß das Herstellen von großflächi­ gen Bauteilen, wie z. B. Rotorblätter von Hubschraubern, nach heuti­ gem Erkenntnisstand durch die Verwendung von Prepregs (mit Harz per Imprägnier-Automaten vorimprägnierte Fasermaterialien) erfolgt, da das Harzinjektionsverfahren für Präzisionsbauteile zu ungenau ist. Außerdem ist das beschriebene Kohlefasergewebe ein Teil der tragenden Struktur des zu erstellenden Bauteiles selbst und damit als Halbzeug mit dem individuell und universell einsetzbaren erfindungsgemäßen Heizelement nicht vergleichbar. Lt. Beschreibung "bleiben die Heiz­ elemente als tragende Struktur im Bauteil selbst erhalten".

Die US-Patentschrift 3,146,340 beschreibt ebenfalls ein Heizelement unter Verwendung von Kohlefasergewebe als Primär-Element allerdings in aufwendiger hermetisch dichter Einkapselung mit je zwei äußeren Schichten aus isolier- und hitzeleitfähigem Material. Die Rander dieses plattenförmigen Heizelementes, welches u. a. für Ofen, Toaster und ähnliche Einsätze vorgesehen war, sind aus unterschiedlichen Isolierstoffen. Keinesfalls ist somit eine exakt gleichmäßige Wärmeverteilung über die Gesamtfläche des Heizkörpers möglich. Außerdem ist die Herstellung und Instandhaltung eines derartigen Heizelementes doch recht aufwendig und kostspielig und der Ein­ satzbereich gegenüber dem erfindungsmäßigen Heizelement stark eingeschränkt. Immerhin ist vorgesehen, das eingekapselte Primär­ heizelement in einem Vakuum oder einer Gasumgebung aus Argon oder Nitrogen anzuordnen. Offenbar für eine bessere Vernetzung der Kohlefasergewebe ist vorgesehen, dieses in eine Suspension von Aluminium-Gel zu tauchen. Es sei auch eine variable Temperatur­ erzeugung möglich bei Aufteilung in einzelne streifenförmige Sektionen (ohne Querverbindungen), wozu allerdings eine Vielzahl von einzeln elektrisch geschalteten und einzeln zu überwachenden Versorgungs­ stellen erforderlich wäre.

Das erfindungsgemäße Heizelement kann alle vorgenannten Nachteile vermeiden, da es sich die allerneuesten Erkenntnisse der Werkstofforschung und grundsätzliche neue Ideen zunutze macht.

Der wesentliche Erfindungsgedanke dabei ist die Verwendung einer einzigen durchlaufenden Gewebebahn aus hochleitfähigem Faser­ material gleichzeitig als Leiterbahn sowohl für die Stromführung als auch für die Wärmeabstrahlung.

Bereits bei der Konfektionierung der Gewebebahn, nach Anzug von der von der Weberei übernommenen Warenrolle, entsteht die Konfi­ guration aus z. B. Kohlefasergewebe (10) mit ihren parallel zu den Leiterstegen (10) verlaufenden Luftspalten (11) in beliebiger, einsatzzweck-angepaßten Gesamtlänge. Bei Standardisierung der einsatzzweck-angepaßten Einzellängen ist somit ein Modulsystem vorgegeben. Die Anordnung der parallel zueinander verlaufenden Leiter­ bahnen in exakt gleicher Breite ohne Überleitungselementen in den Querstegen (10a) ermöglicht eine absolut gleichmäßige Strom­ führung, da der Innenwiderstand an allen Stellen gleich ist.

Um eine gleichmäßige Wärmeabstrahlung in allen Bereichen zu gewährleisten, wird das Gewebe einer weiteren erfindungsge­ mäßen Maßnahme unterzogen. Nach oder vor der Imprägnierung des Gewebes mit Laminierharz, vorzugsweise auf der Basis von Epoxid oder einem flüssigen bzw. pastösen organischen Matrix­ system, wird es in einer Presse mit hohem Druck von ca. 500 N/cm² verdichtet. Hierdurch wird erreicht, daß das zuvor relativ offene und im Querschnitt voluminöse Gewebe (14) an den Fadenverkreuzungs­ punkten derart stark zusammengedrückt wird, das die Fadenver­ kreuzungspunkte abgeplattet werden, wodurch ein beidseitiger linsenförmiger Nietkopf entsteht. Durch die Vielzahl der so ent­ standenen Nietköpfe, von denen jeder nach vier Seiten hin Berührungs­ kontakt zu den benachbarten Köpfen hat, entstehen so neben den Kontakten durch die Schuß- und Kettfäden auf der Ober- und Unter­ seite des Gewebes zusätzliche Multi-Kontaktbereiche (10, Fig. 4).

Ein weiterer erfindungsgemäßer Gedanke stellt die Vermeidung bzw. Entfernung von Lufteinschlüssen aus den Gewebezwischenräumen dar. Hierzu wird sogenanntes Abreißgewebe für die Entlüftung mit verpreßt und nach der Verpressung und Aufnahme des überschüssigen Laminier­ harzes entfernt (abgerissen). Dieses sog. Abreißgewebe ist ein grob­ maschiges Polyamidgewebe, welches keine Verbindung mit dem zu ent­ lüftenden Laminat eingeht.

Das so entstandene Heizelement wird mit einer oder mehrerer Lagen beidseitig angeordneter Deckschichten zur elektrischen Isolierung und Wärmeübertragung (13) versehen. Diese Isolierschichten, vorzugs­ weise aus Glasfaserlaminat unter Verwendung unidirektionaler Prepregs oder keramischen Stoffen bzw. hochtemperaturbeständigem Glas bilden die Kontaktflächen zu den zu beheizenden Medien.

Entscheidend ist weiterhin, daß die Breite der als Leiter dienenden Stege (10) auf eine Toleranz von ± 1 mm eingehalten wird, auch dann, wenn aus Kapazitätsgründen mehrere durch Aufeinanderlegen verbundene Heizelemente eingesetzt werden. Entscheidend ist, daß exakt gleiche Innen- bzw. Durchgangswiderstandswerte über die Gesamtzahl der Stege vorhanden sind. Eine auch denkbare Verwendung von z. B. Kupfer­ streifen als Querverbindung bzw. Quersteg (10a) würde viele Nachteile haben. Kupfer würde an dieser Stelle zwar den Strom, nicht aber die Wärme, wie erforderlich, weiterleiten.

Durch die große Flexibilität, ermöglicht dadurch, daß im oder am erfindungsgemäßen Heizelement keine starren Teile oder Komponenten verwendet werden, läßt sich dieses in alle Richtungen in gemäßigten Radien biegen und rollen. So ist es z. B. möglich, Rohre, Trommeln oder Walzen von innen zu beheizen, was bisher nur mit großem Aufwand bei enormem Energieverbrauch möglich war. Möglich wird eine Walzen-Innenbeheizung z. B. dadurch, daß das erfindungsgemäße Heizelement so im Walzeninnenraum plaziert wird, daß seine Außen-Decklage (13) an der Innenwand der Walze anliegt und über direkten Kontakt die Wärme an den Walzenmantel abgibt. Die Baulänge des Heizelementes entspricht dabei dem Umfang der Innenseite des Walzen­ mantels. Weitere Ausgestaltungen der Beheizung von Rohrkörpern sind in gleicher oder ähnlicher Weise möglich.

Entscheidende Vorteile des erfindungsgemäßen Heizelementes sind:
Hohe Heizleistung bei geringem Stromverbrauch.
Genaueste Temperaturhaltung, auf ± 0,5°C genau.
Schnellste Aufheizung und Abkühlung (für kurze Entformungen wichtig).
Modulbauweise und partielle Steuerung über Temperaturfühler und Programmsteuerung.
Anpassung an Formenoberflächen durch hohe Flexibilität - dadurch auch Möglichkeit der direkten Innenbeheizung von Walzen, Rohren und Trommeln mittels Stromversorgung z. B. über Schleifringe und Kohlebürsten.
Unzerbrechlichkeit, Feuchtigkeits- und Korrosionsbeständigkeit.

Ohne Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben, wären folgende Anwendungen denkbar:
Maschinenbau: Druck-, Imprägnier-, Transport-, Kalander- und Umlenk­ walzen aller Art;
Heizplatten für Plattenpressen;
Heiztrommeln für Papier- u. Textilverarbeitung, Durchlaufpressen;
Heizungen für galvanische Bäder sowie Rohrleitungen und Behälter im Chemiebereich.
Lebensmittelindustrie: Kochgeräte, Heizungen für Misch- und Rührwerke, Schnellauftauvorrichtungen, Molkereien, Trocknungsanlagen;
Fahrzeugbau: Warmhaltevorrichtungen für Isolierfahrzeuge, Motorraum- Vorwärmevorrichtungen, Sitzheizungen, Rückspiegelheizungen, Einstiegstreppen-Enteisungen für Busse und Bahnen;
Flugzeugbau: Vorflügel-, Leitwerks- und Rotorblatt-Enteisungen, Kabinenheizungen.
Bauwesen: Start- und Landebahn-Enteisungen, Rasenheizungen für Sportfelder, Enteisungen von gefährdeten Brücken und Fahrbahnteilen, Enteisungen von Weichen, Stellwerken und Signalen, Enteisungen im Liegeplatzbereich von Booten und Schiffen;
Wohnungsbau: Kochfelder im Küchenbereich, Wannenheizung im Bad, Fußboden- und Deckenheizung, Speicherheizungen, Heizdecken, Wäschetrockner, Bügelpressen, Warmhalteplatten etc.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend beschrieben:

Es zeigen:

Fig. 1 ein Heizelement in der Draufsicht,

Fig. 2 ein Heizelement im Querschnitt mit zugehörigen Decklagen,

Fig. 3 ein Heizelement mit aufgebrachten Decklagen teilweise abgedeckt;

Fig. 4 ein Teilbereich des Heizelementes mit teilweise verpreßter Oberfläche.

Neben den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen sind auch andere Formen und Materialzuordnungen der einzelnen Komponenten möglich. So ist z. B. anstelle des Glasfaserkunststoffes (13) auch eine Beschichtung mit keramischem flüssigen oder pastösem härtbarem Material möglich, ebenso wie eine Klebeverbindung mit einer hochhitze­ beständigen Glasplatte aus "JENAER GLAS, Hersteller Schott, Mainz". Auch besteht die die Möglichkeit, das Gewebe (10), welches als Leiterplatte des Heizelementes dient, mit hochhitzebeständigen Materialien durch tauchen, aufsprühen, plasmaschweißen o. ä. zu verbinden.

In der Fig. 1 wird das Heizelement (10) aus elektrisch leitfähigem Faserkunststoff wie z. B. Carbonfaser oder anderer carbonisierter Kunst­ faser mit einem Imprägnierharz, z. B. Epoxid-, Silikon-, Furanharz oder einem Binder auf Wasserglas- oder anderer organischer Basis imprägniert, dadurch, daß mittels Auftragswalzen oder Rakel das Harz so auf die Gewebebahn übertragen wird, daß alle Zwischenräume der Einzelfäden und alle Kapillaren der Faden-Einzelfilamente mit Harz gefüllt sind. Danach wird das auf diese Weise entstandene sog. Prepreg vorgetrocknet, mit einem Abreißgewebe beidseitig abgedeckt und unter Zuführung von Hitze und einem Druck von ca. 500 N/cm² in einer Heiz­ presse ausgehärtet.

Nach dem Entfernen des Abreißgewebes, welches eine homogene und luftblasenfreie Struktur bewirkt, werden unter Einsatz von Stanz­ werkzeugen, Trennscheiben, Wasserstrahl-Schneidvorrichtungen o. ä. die Spalte (11) zwischen den Stegen (10) und den Querstegen (10a) herausgetrennt, so daß bei exakt gleichmäßiger Breite aller Stege eine Leiterplatte mit genau gleichem Durchgangswiderstand entsteht. Im Bedarfsfalle können auch mehrere gleiche Leiterplatten übereinander­ gelegt und verpreßt werden.

Diese Leiterplatte (10) ist bereits das Heizelement, dessen beidseitige Decklagen (13) als Isolierschicht gleichzeitig die genaueste Wärme­ abstrahlung von jedem Punkt der Oberfläche gewährleisten, da die Wärmeübertragung von der Heizelementoberfläche direkt ohne Luft­ spalte erfolgt. Es können dadurch auch nicht die kleinsten Wärme­ verluste wie etwa bei stabbeheizten Geräten auftreten. Die Fertigung der Deckplatten (13) erfolgt dadurch, daß imprägnierte Glasfasergelege als sog. Prepregs im noch klebrigen Zustand auf beide Seiten der Leiterplatte (10) gelegt und mit diesen unter Hitzezuführung verpreßt werden.

In Fig. 4 ist ein Ausschnitt des elektrisch leitfähigen Gewebes sichtbar, wobei ein Teilbereich (10) die verpreßte Oberfläche des unverpreßten Gewebes (14) darstellt, das mit der Oberfläche des erfindungsgemäßen Heizelementes identisch ist.

Dieser Erfindungsgedanke des Verpressens des elektrisch leit­ fähigen Gewebes ermöglicht durch das Zusammendrücken der Faden­ verkreuzungen eine beidseitige Abplattung ähnlich Nietköpfen, die sich ausdehnen und auf vier Seiten gegenseitig berühren, so daß außer den ohnehin schon vorhandenen Kontakten durch die Schuß- und Kettfäden weitere Mehrfachkontakte entstehen.

Ein auf diese Weise gefertigtes Heizelement mit den neuartigen Multikontakten in Modulbauweise gewährleistet eine extrem hohe Funktions- und Betriebssicherheit bei einem sehr breiten Einsatz­ spektrum, größtmöglicher Energie-Ausnutzung und durch die Verwendung von niedrigen Spannungen eine absolute Ungefährlichkeit im Hinblick auf Stromschläge. Es ist zugleich ein Schritt auf dem Wege in die Zukunft durch Einsparung von Energie.

Claims (7)

1. Heizelement aus Komposit-Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen mindestens zwei parallel verlaufenden Stegen (10) aus elektrisch leit­ fähigem Faserkunststoff ein Spalt (11) befindet und an den Stegenden eine Querverbindung (10a) aus demselben Material und mit demselben Durchgangswiderstand.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bereiche des Heizelementes (10 u. 10a) aus demselben elektrisch leitfähigen Faserkunststoffgewebe sind mit konstantem Innenwiderstand über den ganzen Bereich der Leiterbahn.

3. Heizelement nach Anspruch 1 und Verfahren zur Herstellung des Heizelementes, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasermaterial für die Herstellung des Heizelementes ein Gewebe aus Carbon­ fasern oder carbonisierten Kunstfasern verwendet wird, dessen Faden-Kreuzungspunkte (10) der Schuß- und Kettfäden (14) durch Verpressen zusammengedrückt und beidseitig abgeplattet werden.

4. Heizelement nach Anspruch und 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Gewebahn parallel verlaufende Spalte (11) durch schneiden, stanzen, sägen, laser- oder wasserstrahlschneiden herausgetrennt werden.

5. Heizelement nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Entlüftung des verpreßten Laminates für das Heizelement (10) ein sogenanntes Abreißgewebe verwendet wird.

6. Heizelement nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Decklagen (13) aus elektrisch isolierendem Material gefertigt und mit dem Heizelement (10) durch Verklebung verbunden sind.

7. Heizelement aus Komposit-Werkstoffen nach den Ansprüchen 1, 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Zuordnung der Werkstoff-Komponenten eine Flexibilität erreicht wird, die es ermöglicht, daß das Heizelement innerhalb eines Rohrkörpers an dessen Innenwandung mittels direktem Kontakt anliegt und damit eine Aufheizung des Rohrmantels ermöglicht.